植被遥感

基于遥感的山西省森林植被研究的论文综述

摘要：以山西省行政区为研究区域，根据遥感与GIS、GPS相结合形成的“3S”技术体系，以TM743卫片为数据源，结合相关资料，对山西省森林资源面积进行调查，建立山西森林资源可持续经营能力指标体系，并对其能力进行评价。

关键词：山西省；植被遥感；3S技术

前言

植被覆盖率作为反映地表信息的重要参数，一直是植被遥感领域的重要研究课题。测量植被覆盖率的方法可分为地表实测和遥感监测两种。由于植被覆盖率具有显著的时空分异特征，因而，遥感已成为估算植被覆盖率的主要技术手段。本课题研究的目的是应用遥感技术清查全省森林资源的质量和数量，以及分析消长变化规律，为国土资源开发，保护森林资源，加强生态环境建设提供科学依据。

山西省地形地貌复杂，省内各区域间水汽条件差异较大，其植被密度分布呈明显的地带性和区域性规律。植被是覆盖地表的植物群落的总称,包括森林、灌丛、草地与农作物等,具有截留降雨、减缓径流、防沙治沙、保水固土等功能。植被覆盖是许多全球、区域变化监测模型中所需的重要信息,是描述生态系统的重要基础数据,也是生态系统的重要组成部分,在生态系统中发挥着非常重要的作用"作为生态系统的主要组分,植被是生态系统存在的基础,也是联接土壤、大气和水分的自然/纽带。植被在陆地表面的能量交换过程、生物地球化学循环过程和水文循环过程中扮演着重要的角色,在全球变化研究中起着/指示器的作用。植被根据生态系统中水气等的状况,调控其内部与外部的物质!能量交换"植被覆盖与气候因子关系极为密切,研究植被覆盖变化对气候的影响是气候变化研究的主要内容之一,它影响着土壤湿度、地表温度和地表能量与水的循环。

一、与遥感集成的“3S”技术在林业资源调查中的应用现状

在李强峰的《青海省森林植被的遥感调查与可持续评价》一文中，可以了解到“3S”技术在林业资源调查中的应用现状：“3S”集成技术包括RS与GIS 的集成、RS与GPS 的集成、GIS与GPS的集成，RS、GIS 和GPS 的集成。它们相互渗透，综合发展，显示出单一技术没有的优势。在“3S”集成技术中，GPS用于实时、快速地提供目标的定位定向信息；RS 用于实时、准时地提供目标环境的语义或非语义信息，发现地球表面的各种变化，及时对GIS 数据更新；GIS 作为集成系统的基础平台，可对多源时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取、及时分析决策，形成一个完整的闭环控制系统。

在袁金国的《森林植被遥感分类研究》也提到了相关的内容：最早的植被分类采用人工目视解译,之后计算机自动分类比目视解译前进了一步,但由于各树种相互搀杂,且受土壤湿度,地形阴影,异物同谱的影响,单纯对遥感数据进行监督或非监督分类的结果精度不高.之后采用了遥感信息复合技术.信息复合的内容和方式包括:同种遥感信息多波段多时相信息复合;多平台遥感数据复合;遥感与非遥感信息的复合,如与专题地图信息或数字地形模型(DTM)的复合;遥感数据加入GIS数据,可视为信息复合的高级形式。

二、遥感技术在我国森林资源调查中的应用

遥感影像是以地物的光谱特征、辐射特征、几何特征和时相变化来表现地物信息，解

译时必须应用地学相关分析方法，综合影像的色调、亮度、饱和度、形状纹理结构等特征并结合己有资料和野外工作经验知识判定地物类型。在冯仲科，毛海颖，于景鑫的《我国森林植被遥感调查及建库研究》文中详细描述了遥感技术在我国森林资源调查中的应用：我国森林植被的覆盖程度受到土壤、气候、海拔、人为等各种因素的互相影响，为了能够遵循“适地适树”原则而更加精确在不同地区栽种适宜的树种从而提高我国森林覆被率，利用遥感技术对全国森林植被及其所生长的条件进行调查是重中之重。

三、研究区自然状况

总体来说山西省地形地貌复杂，省内各区域间水汽条件差异较大，其植被密度分布呈明显的地带性和区域性规律。对于该部分的内容可参照山西省统计年鉴的具体内容。同时在吴根梅的《植被覆盖信息的提取方法研究》一文中描述到：研究区内部的蔡家川流域(北京林业大学教学科研试验场)位于山西省黄土高原西南部的吉县境内,吉县地处山西省西南部!黄河中游!吕梁山南端,位于北纬35053-10/一36021-02-,;东经110027.30/一111007-20/之间"东西长62加m,南北宽48km,总面积1777.26km2"以县城为中心,东北与蒲县接壤,以石头山为界;东与临汾市和乡宁县相连,以金岗岭!姑射山为界;西濒黄河,隔河与陕西宜川相眺;南与乡宁张马乡相连,以下张尖为界;北与大宁毗邻,以处鹤沟为界,县境周长229km"蔡家川流域地理坐标位为北纬36014-一36018-与东经110040-一110048-之lbJ"该嵌套流域主沟道为义亭河的一级支流,义亭河为黄河一级支流的听水河支流,流域大体上为由西向东走向,流域面积39.33kmZ,流域平均海拔1172m"蔡家川流域主沟道及其部分支沟具有常流水"为典型的黄土残源、梁饰侵蚀地形"。

四、研究的内容和方法

1、研究的内容

在方向文的《甘肃省森林植被遥感调查评价》一文中提到了在研究甘肃省森林植被时的研究内容：以美国地球资源卫星LANDST一5为遥感信息源,由北京航空物控遥感中心对全省42景TM数据进行计算机处理,数据镶嵌、几何校j巨、模拟真彩色合成的l:25力’的TM743卫片为主要数据源。并采用多时相遥感数据,以及遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配,进行综合分析。综合应用全球定位系统(GlobalPositionsystem)、地理信息系统(Geogr 即hieInformationSystem)和遥感技术(RemoteSensing)等学平丰的原理和技术,对甘肃省森林植被(乔木、灌木、草地)资源进行调查。根据森林资源可持续发展的内涵以及森林资源可持续经营指标体系应能反映森林可持续经营的基本要素的原则,构建甘肃省森林资源可持续经营的标准与指标体系;应用主成分分析进行客观权重的确定;应用多目标线性函数法评价甘肃省森林资源可持续经营能力情况,根据评价结果分析森林资源可持续经营能力的制约因素,同时采用聚类分析方法将各县进行聚类,测试森林可持续经营能力评价的合理性。

2、研究的方法

在王晓梅、张玉钧、刘文清、夏慧的《基于光谱特征的植被遥感探测及应用研究》中提到了基于光谱特征的植被遥感的研究方法：植被的反射光谱曲线具有显著的特征,物种、生长阶段、生长环境等的不同使植被反射光谱曲线具有不同的形态和特征。因此,我们可以利用基于光谱特征的植被遥感数据,对植被的生化组分进行定量估测,监测不同生长时期植被的长势,对作物进行估产,借助于Gis(地理信息系统)和GPS(全球定位系统),还可以进行区域和全球尺度上植被生长状况和生态环境的监测等领域的研究。另外,利用植被冠层反射能力的不同还可以进行物种的鉴别。由于影响植被光谱特征的因素十分复杂,为此近年来高光谱得到了飞速发展。高光谱为高分辨率遥感(h邓erspectralremotesensing)的简称,它是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内,获取许多非常窄的光谱连续影像数据的

技术。高光谱的超多波段(几十,上百个)和光谱分辨率高(3一20nln)的特点,实现了植被精细光谱信息的探测。

3、遥感调查的方法步骤

李强峰的《青海省森林植被的遥感调查与可持续评价》一文中详细描述了作者在研究青海省森林植被时利用遥感采用的方法，如下图所示：

TM 卫片数字图象处理

野外调查拟定分类系统

建立解译标志

人机交互勾绘图斑界限

野外调查

编辑创建拓扑

资源现状数据图

面积量算与机助制图

资源报告资源评价报告资源数据应用

4、山西省森林资源遥感调查

森林资源的动态变化是森林发展演替有利因子与森林健康胁迫因子综合作用的结果，对森林健康具有重要的指示作用。传统森林资源调查方法采用样地调查推算总体，这种方法代价高昂、持续时间长且不利于动态跟踪。遥感技术的应用克服了传统调查方法的缺点，并可对森林资源结构情况进行及时的、动态的、准确的分析，从而较好地了解森林健康状况。遥感技术在森林调查领域的应用，主要体现在森林面积( 覆盖率) 、森林类型与树种识别、林分蓄积量等3 个方面。

在高广磊的《基于遥感技术的森林健康研究综述》中提到了对森林资源进行调查的方法：资料的收集：图像资料：收集了1998年1:25 万TM743解译判读的基础图像，重点林区1:5 万TM453卫片，大面积荒漠地区1：10 万中巴CBERS－1 卫星423 波段合成图像，地区Spot与TM 融合处理图像，局部地区的航空像片，1:25 万地形图，1998 年省林勘院编绘的“山西省森林分布图”，有关林场、林业局森林二类调查林相图。本次调查采用的遥感信息是用1:25 万地形图为地理要素控制基础，完成了具有地理要素的1:25 万TM743 波段模拟真彩色（假彩色）数字化无缝镶嵌遥感图像。TM 各波段的特征见表6-1。图像中标注了经纬度、主要交通线、主要城镇、山脉、水系、湖泊等名称。图像清晰、分辨率高（地面分辨率为30m）、影纹细腻、色彩丰富、饱和度高、信息量丰富、云层覆盖少，特别是绿色植被在图像上总体呈绿色与自然色调基本一致，故对区分植被类型（乔、灌、草）具有很高的解译程度，地类一目了然，易于判读类型。调查中对主要天然林区如湟水林区、玛可河林区的主要针阔叶类型，使用了美国陆地卫星LANDSAT－5 的1:5 万遥感图像，波段组合为TM7（G）4（R）3（B）。该遥感影像对针叶林、阔叶林及针阔混交林正判率为80%灌木林正判率为62%；对未成林造林地、苗圃也可与无林地区分开，但精度较低。影像有林地为红褐色或褐红色，颗粒密集，较易判读；并通过颜色的色调、饱和度的变化、颗粒结构密稀解译判读森林类型的龄组（幼、中、成）和郁闭度（疏中密）的质量因子，在微观结构方面起到补充、完善1:25 万卫片的不足。对柴达木（海西州）大面积荒漠地区使用了中巴CBERS－1 卫星图像2000.7.29,432 波段合成，该图像影像信息丰富，可解译程度高，对荒漠化地区的地类划分、荒漠化类型及荒漠化程度、林业生态工程建设、沙化类型、湿地类型等解译程度较高，判读精度高，结果准确可靠。对耕地、林地、草地、铁路、公路、水域、戈壁、裸岩等一级地类，图像清晰，有较好的分辨率，反差大、清晰度高。西宁地区使用了法国SPOT 全色波段（分辨率为10m）与TM7 融和处理图像，该图像解译质量和精度较高。

五、遥感调查的方法步骤

1、野外踏查

踏查是建立解译标志和正确判读的前期工作，因此线路的选设至关重要，遵照线路上包括各景卫片的主要影像色调，类型应多样并有充分的代表性，遥感及辅助资料（如地形图、林相图、航片等）齐全，交通方便的原则，选择包括涵盖全省主要林区的路线，野外踏查工作线路长8600km，调查林场12 个，观测点446 个。通过野外踏查对不同地类及森林类型的遥感影像进行识别，利用GPS 等仪器准确定位，按照目视判读特征和地面实际状况的对应关系填写各种地物的解译卡片，拍摄地面景观照片，建立典型地类影像解译标志。在踏查中注意乔、灌、草各类型的纹理结构差异，把握各地类的综合特征，为正确区划提供依据。

2 、解译标志的建立

（l）遥感图像的判读特征

遥感图像记录了地面物体的电磁波辐射特征。地面目标的各种特征在卫片上都有反映，故根据其影像特征或影像标志，是解译目标性质的依据，这些影像特征或影像标志称为判读特征。判读特征主要有：形状(Shape)特征、大小(Size)特征、色调（Tone）特征、阴影（Shadow）特征、纹理（Texture）特征，位置布局特征等。形状特征：指事物外部轮廓的形状在影像上的反映，是识别物体的主要依据。用片状、块状、规则、不规则来描述。大小特征：指地物的影像尺寸，如长、宽、高等。其大小取决于影像比例尺。色调特征：指地物的色调在影像上的表现形式，包括目标的亮度和色彩，影像上目标的颜色。地物的形状、大小在影像上通过色调表示，是基本的判断特征。第六章青海省森林资源遥感调查19

纹理特征：是细小物体在像片上大量地重复出现所形成的特征，是个体的大小、形状、阴影、色调的综合反映。在地物光谱特性比较接近的情况下，纹理对区分目标起重要作用。如灌木林和草地色调基本一致，但灌木林颗粒较粗，草地则细。位置布局特征：指地物的环境位置和地物的空间位置配置关系在影像上的反映，也称相关特性，是重要的间接判断指标。（2）解译标志的建立

建立遥感影像判读标志，是室内判读的基础。为提高解译质量和解译精度，根据野外调查中填写的各种地物的判读标志登记表，确立典型解译样区、各地类和类型的解译标志。遥感图像包括的信息量远比文字描述更为丰富、直观和完整，这些信息主要从图像中目标地物的“色、形、位”三大方面的差异，并综合考虑区域的地理分布规律，对典型地物从光谱特征、空间特征和时间特征等方面进行描述而形成标准。本次调查对不同林区，按照不同海拔、坡向、坡位、土壤、植被等因素，选取主要地类和森林类型，用GPS 现地定位，储存样地的经纬度和海拔高度，再导入计算机，通过PCI 软件落实到卫片上，再根据TM影像特征及实地调查资料进行描述，建立典型解译标志登记卡。在建立解译标志时参照林区森林植被直分布图，注意地理相关规律和空间分布规律，如农田常位于村庄、沟塘、河流附近，且道路、水渠呈网状镶嵌其中；灌木林分布在石山、险坡地带；在祁连山、互助等地草地、灌木多分布阳坡，森林分布在阴坡；同一植被类型，在由于年龄间差异而具不同色调，如玛可河林区山基针叶成龄林颜色深，而山腰中龄林颜色较浅，幼龄林则为黄褐色；采伐迹地和新造林的林地的色调也有差异，如玛可河林区采伐迹地为玫瑰红色。根据综合分析和比较研究并经外验证，建立TM743 影像解译标志(表6-2）最终选择典型森林植被类型图像，配以文字注记，编制典型遥感影像图集。

六、山西省森林资源可持续经营能力评价

1 森林资源可持续性的内在动力机制

区域森林资源可持续性是森林生态系统的保持和人类有目的的利用活动相互耦合的结果，因此，森林资源可持续性的内在动力机制在于森林资源潜在的内在持续能力和外部支撑能力的统一。在特定地区，森林生态系统的社会过程、经济过程和生态系统过程密切耦合，三者的协调发展，将使区域森林资源系统的社会进步目标、经济增长目标和资源保护目标同步实现。区域森林资源系统是开放的系统，与外界不断发生物质和能量的交换，使系统的总熵减小，信息量增加，结构复杂性随之增加。其可持续性依赖于动态演化过程中不断形成的耗散结构，并且这种耗散结构本身不断高级化，促进森林系统的不断协同进化，产生远离平衡态的动态平衡，从而使系统能保持一种空间、时间及功能上的有序结构。区域森林资源系统是一“活”的非平衡有序结构，体现在两个方面，首先它与外界环境不断交换物质和能量，不断新陈代谢，维持着系统的稳定和有序，其次它有一种自组织能力，使其在受环境干扰的情况下，能重新组织成新的有序结构。同时，森林资源内部的结构功能不断协同，推动森林资源系统的进化。由于人类对森林资源的利用活动，区域森林资源可持续性实质上是一个复杂系统的自组织和组织合成过程的结果，因此，人类的决策成为关键。决策的结果形成信息流，协调控制系统内能量流、物质流和其它信息的流向、流量、流速，形成能量、物质和信息的不同时间、空间聚集形式。人类对森林资源可持续性有双重作用，可能提高森林资源的可持续性，也可能降低森林资源的可持续性。因此，应对系统引入新的负熵流，减少系统内部负熵，使系统保持有序的良性循环结构，使系统的演替与人类合理利用有机协调，实现森林资源的可持续经营。

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